Isidor I.Rabi นักเคมีผู้ค้นพบปรากฏการณ์ NMR พื้นฐานของเทคโนโลยี MRI

โดย สุทัศน์ ยกส้าน

Image # 2. Isidor I.Rabi นักเคมีผู้ค้นพบปรากฏการณ์ NMR พื้นฐานของเทคโนโลยี MRI

Isidor I.Rabi (PHOTO CREDIT: Library of Columbia University)

        Isidor Isaac Rabi เป็นนักวิทยาศาสตร์ผู้มีอะไรๆ หลายอย่างเหมือน Ernest Rutherford เช่น Rutherford เป็นนักฟิสิกส์ที่รับรางวัลโนเบลเคมีปี 1908 ส่วน Rabi เป็นนักเคมีที่รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1944 ทั้งสองทำหน้าที่เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของนิสิตมากมายหลายคน อีกทั้งเป็นที่ปรึกษาวิทยาศาสตร์ของรัฐบาลและองค์การหลายองค์การ

Rabi เกิดเมื่อวันที่ 29 กรกฎาคม ค.ศ.1898 ที่หมู่บ้าน Rymanow ในแคว้น Galicia ของโปแลนด์ ซึ่งในเวลานั้นอยู่ภายใต้การปกครองของออสเตรียกับฮังการี ครอบครัวนี้มีบิดาชื่อ David มารดาชื่อ Sheindl Rabi มีน้องสาว 1 คน บรรพบุรุษของวงศ์ตระกูลนี้มีเชื้อชาติยิว ดังนั้น Rabi จึงสามารถพูดภาษา Yiddish ได้อย่างคล่องแคล่วตั้งแต่เด็ก

เพราะสภาพการทำงานในโปแลนด์ค่อนข้างลำบาก ดังนั้นบิดาของ Rabi จึงเดินทางไปหาเงินที่อเมริกา แล้วส่งเงินกลับบ้านทุก 2 เดือน จนกระทั่ง Rabi อายุ 3 ขวบ มารดาจึงขนลูกๆ ไปอเมริกา เพื่อให้ Rabiได้เข้าเรียนที่โรงเรียน Lower East Side และเมื่อครูถามว่า ลูกชายชื่ออะไร มารดาได้ตอบว่า Izzy ซึ่งเป็นชื่อเล่นของชื่อจริงว่า Israel แต่ครูได้ยินเป็น Isidor ดังนั้นชื่อต้นของ Rabi จึงเป็น Isidor ตั้งแต่นั้นมา

Image # 3. Isidor I.Rabi นักเคมีผู้ค้นพบปรากฏการณ์ NMR พื้นฐานของเทคโนโลยี MRI

Ernest Rutherford (PHOTO CREDIT: Nobelprize.org)

Rabi เรียนหนังสือได้ค่อนข้างดี แต่ไม่เด่น เมื่ออายุ 9 ขวบ ครอบครัวได้อพยพไปอยู่ที่ Brownsville ใน Brooklyn ซึ่งมีห้องสมุดวิทยาศาสตร์ที่ดีมาก หลังจากที่ได้อ่านหนังสือเกี่ยวกับเทคนิคการส่งโทรเลข Rabi รู้สึกสนใจและชอบมาก จึงหาซื้ออุปกรณ์โทรเลขมาติดตั้งที่บ้าน และเริ่มชีวิตการเป็นนักฟิสิกส์น้อย 

       Rabi เรียนชั้นมัธยมศึกษาที่โรงเรียน Manual Training High School และจบการศึกษาในปี 1916 ด้วยความสามารถของตนเอง เพราะครูที่นั่นมิได้ทุ่มเทด้านการสอน จากนั้นได้เข้าเรียนที่มหาวิทยาลัย Cornell ในคณะวิศวกรรมไฟฟ้า แต่หลังจากที่เรียนไปได้ไม่นานก็รู้สึกเบื่อมาก จึงขอเปลี่ยนไปเรียนเคมีแทน เพราะรู้สึกว่าชอบวิเคราะห์และแยกสารประกอบมากกว่า

Rabi สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี เมื่ออายุ 21 ปี และเริ่มหางานทำ แต่ไม่ได้งาน เพราะถูกตั้งข้อรังเกียจว่าเป็นยิว ดังนั้น จึงหวนกลับไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย Cornell อีก เพื่อทำปริญญาเอกด้านเคมีแต่พบว่าไม่ชอบเคมี กลับชอบฟิสิกส์มากกว่า จึงย้ายไปทำปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Columbia ในปี 1923 และพบรักกับ Helen Newmark จึงแต่งงานกัน เมื่อมีครอบครัว เพราะต้องเรียนหนังสือ Rabi จึงหางานพิเศษเป็นอาจารย์สอนที่ City College สัปดาห์ละ 6 ชั่วโมง และได้เงินประมาณ 800 เหรียญ/ปี

วันที่ 16 สิงหาคม ค.ศ.1926 นับเป็นวันสำคัญมากวันหนึ่งในชีวิตของ Rabi เพราะในวันนั้นเขาได้ส่งวิทยานิพนธ์เรื่อง สมบัติแม่เหล็กของผลึกบางชนิด และได้เข้าพิธีสมรสในวันต่อมา ครอบครัวมีลูกสาว 2 คน และหลาน 4 คน

ปี 1926 ถือเป็นปีทองของนักฟิสิกส์ที่กำลังทำปริญญาเอก เพราะในปีนั้นโลกเพิ่งรู้จักวิชากลศาสตร์ควอนตัม ดังนั้นโจทย์วิจัยที่มีให้นิสิตทำจึงมีมากมาย Rabi ได้อ่านงานวิจัยเรื่องกลศาสตร์ควอนตัมทุกชิ้นที่เพื่อนๆ จากยุโรปส่งมา และได้ประยุกต์เทคนิคใหม่นี้ ในโจทย์ฟิสิกส์เก่าๆ เช่น ปัญหาลูกข่างควอนตัม โดยใช้เทคนิคของกลศาสตร์ควอนตัมคำนวณหาพลังงาน และฟังก์ชั่นคลื่นของลูกข่าง เป็นต้น 

Image # 4. Isidor I.Rabi นักเคมีผู้ค้นพบปรากฏการณ์ NMR พื้นฐานของเทคโนโลยี MRI

Erwin Schroedinger (PHOTO CREDIT: Nobelprize.org)

       เมื่อได้รับทุนวิจัยระดับปริญญาเอกของมหาวิทยาลัย Columbia Rabi ได้ใช้เงินทุนนั้นในการเดินทางไปทำวิจัยในยุโรป เช่น ในปี 1927 Rabi ได้ไปทำงานกับ Erwin Schroedinger ที่ Zurich ในสวิสเซอร์แลนด์และ Arnold Sommerfeld ที่ Munich กับ Niels Bohr ที่ Copenhagen และกับ Wolfgang Pauli ที่ Hamburg รวมถึงได้พบปะกับ Otto Stern ผู้พบสมบัติ spin ของอนุภาคมูลฐาน โดยใช้เทคนิคการผ่านลำโมเลกุล(molecular beam) เข้าไปในสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ
จากที่ Hamburg Rabi ได้เดินทางไปที่ Leipzig เพื่อทำงานร่วมกับ Werner Heisenberg
ในปี 1929 เมื่อ Rabi ทราบข่าวว่า มหาวิทยาลัย Columbia จะเสนอตำแหน่งอาจารย์ในภาควิชาฟิสิกส์ให้ ด้วยเงินเดือน 3,000 เหรียญต่อปี Rabi รู้สึกภูมิใจมากที่เป็นคนยิวคนแรกที่ได้ครองตำแหน่งอาจารย์ในมหาวิทยาลัย Columbia

ประสบการณ์ที่ได้จากการทำงานร่วมกับนักฟิสิกส์กรางวัลโนเบลหลายคนทำให้ Rabi เข้าใจวิชากลศาสตร์ควอนตัมดีมาก และรู้ชัดว่าต้องเป็นนักฟิสิกส์ทดลอง ไม่ใช่นักฟิสิกส์ทฤษฎี ในปี 1929 ที่ Rabi เดินทางกลับถึงอเมริกานั้น ถือเป็นจุดเริ่มต้นการกำเนิดของฟิสิกส์ควอนตัมในอเมริกา และนักฟิสิกส์อเมริกันก็ได้เริ่มเปลี่ยนสถานภาพจากบุคคลระดับสองไปเป็นบุคคลระดับหนึ่ง ตัว Rabi เองก็ได้ก้าวกระโดดจากตำแหน่ง ผศ.ในปี 1930 เป็น ศ. ในปี 1937

ที่มหาวิทยาลัย Columbia ในช่วงเวลาที่ Rabi เริ่มทำงานเป็นยุคเศรษฐกิจกำลังตกต่ำ การหาซื้ออุปกรณ์วิทยาศาสตร์ไม่ใช่เรื่องง่าย และทุนวิจัยก็ไม่มี Rabi ได้ตัดสินใจใช้เทคนิคลำโมเลกุล (molecular beam) ศึกษาโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสต่างๆ โดยเฉพาะโปรตอน และ deuteron และพบว่า นิวเคลียสของ deuteron (1H2) มีลักษณะไม่กลมแต่เป็นรูปไข่ จึงมี electric quadrupole moment = 0.855±0.006 magnetons ส่วน magnetic moment ของโปรตอน =2.785±0.02 magnetons ไม่ใช่ 1 ดังที่ทฤษฎีทำนาย

ในปี 1931 Rabi ได้ร่วมมือกับ Gregory Breit และ C.J.Gorter ในการนำสนามแม่เหล็กที่แปรเปลี่ยน (คือ มีความถี่) มากระทำต่อนิวเคลียสร่วมกับสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอ โดยสนามที่แปรเปลี่ยนกระทำในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ นี่คือเทคนิคของ nuclear magnetic resonance (NMR) ที่ Rabi คิดขึ้น ซึ่งทำให้ Rabi ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1944 จากผลงาน NMR ที่ใช้ศึกษาสมบัติแม่เหล็กของนิวเคลียสในอะตอม 

       เทคนิคที่ Rabi คิดขึ้นมานี้ยังใช้ศึกษาพฤติกรรมการหมุนรอบตัวเองของอะตอม นิวเคลียส และโมเลกุลในสนามแม่เหล็กด้วย โดยสมมติว่าอะตอมมีโมเมนต์แม่เหล็ก (คือ ประพฤติตัวเสมือนเป็นเข็มทิศขนาดเล็ก) ดังนั้นเวลาอยู่ในสนามแม่เหล็ก โมเมนตัมแม่เหล็กจะถูกแรงแม่เหล็กกระทำ ทำให้แม่เหล็กหมุนส่ายควงรอบทิศของสนามแม่เหล็กนั้น (เหมือนการหมุนของลูกข่างในสนามแรงโน้มถ่วงของโลก) และทฤษฎีฟิสิกส์ยุคเก่าได้ทำนายว่า มุมที่โมเมนต์แม่เหล็กทำกับสนามแม่เหล็กสามารถมีค่าอะไรๆ ก็ได้ แต่ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม มุมดังกล่าวจะมีได้เพียงบางค่าเท่านั้น นั่นคือ อะตอมจะอยู่ได้เฉพาะเพียงบางสถานะเท่านั้น และนั่นก็หมายความว่า อะตอมมีพลังงานได้เพียงบางค่า หาได้สามารถจะมีได้ทุกค่า

และ Rabi ก็ได้พบว่า ถ้าใช้สนามแม่เหล็กที่มีความถี่เท่ากับความถี่ในการส่ายควงของโมเมนต์แม่เหล็กพอดี (นี่คือปรากฏการณ์ resonance) และสนามกระทำในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กเดิม สนามแม่เหล็กที่มีความถี่จะกลับทิศของโมเมนต์แม่เหล็กทันที

ดังนั้นถ้าวัดความถี่ของสนามแม่เหล็กได้ Rabi ก็สามารถวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมได้อย่างละเอียด

Rabi จึงเป็นผู้บุกเบิกวิทยาการด้าน Radio-frequency Spectroscopy ที่สมควรได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 1944

แต่เพราะสงครามโลกยังไม่ยุติดี พิธีแจกรางวัลโนเบลจึงต้องเลื่อนไปรับในวันที่ 12 เมษายน ค.ศ.1945 โดยท่านอธิการบดี Nicholas Murray Butler แห่งมหาวิทยาลัย Columbia เป็นผู้มอบรางวัลที่ New York

อีกหลายปีต่อมา Abraham Pais ได้กระซิบบอก Rabi ในปี 1982 ว่า Albert Einstein ได้เสนอชื่อให้ Rabi ได้รับรางวัลโนเบล ข่าวนี้ทำให้ Rabi ถึงกับอุทาน ออกมาด้วยความตื่นเต้นว่า “ไม่อยากจะเชื่อเลย”

ย้อนอดีตไปถึงสมัยสงครามโลกครั้งที่ 2 คือในปี 1940 Rabi ได้เข้าร่วมวิจัยเรดาร์ที่ห้องปฏิบัติการรังสีของ MIT และโครงการนี้ประสบความสำเร็จมากจนหลายคนพูดว่า ระเบิดปรมาณูคือสิ่งที่ยุติสงคราม แต่เรดาร์ทำให้ฝ่ายสัมพันธมิตรชนะสงคราม

หลังสงครามโลก Rabi ได้ย้ายกลับไปทำงานที่มหาวิทยาลัย Columbia อีก เพื่อดำรงตำแหน่งหัวหน้าภาคฟิสิกส์ตั้งแต่ปี 1945-1949 และมีลูกศิษย์ลูกหาเก่งๆ มากมายที่ได้รับรางวัลโนเบล เช่น Julian Schwinger (ปี 1965) Norman F.Ramsey (ปี 1989) Martin Perl (ปี 1995) Polykarp Kusch (ปี 1955) ข้อสังเกตหนึ่งคือทุกคนเป็นผู้ชาย เพราะ Rabi ไม่เชื่อว่า ผู้หญิงจะเป็นนักฟิสิกส์ที่เก่งได้ 

Image # 5. Isidor I.Rabi นักเคมีผู้ค้นพบปรากฏการณ์ NMR พื้นฐานของเทคโนโลยี MRI

Niels Bohr (PHOTO CREDIT: Nobelprize.org)

Image # 6. Isidor I.Rabi นักเคมีผู้ค้นพบปรากฏการณ์ NMR พื้นฐานของเทคโนโลยี MRI

เทคโนโลยีเอ็มอาร์ไอที่ใช้ในปัจจุบันเกิดจากการค้นพบของ Rabi (REUTERS PHOTO/ TOBIAS SWHWARZ)

       ในปี 1946 เมื่อองค์กร Atomic Energy Commission ถือกำเนิดRabi ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นกรรมการท่านหนึ่งในคณะกรรมการบริหารที่มี Robert Oppenheimer เป็นหัวหน้า

ในระหว่างปี 1948-1952 ที่สหรัฐอเมริกามี Dwigh Eisenhower เป็นประธานาธิบดี Rabi ได้เสนอให้มีตำแหน่งผู้ช่วยประธานาธิบดีในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ซึ่ง Eisenhower ก็เห็นด้วย จึงมอบให้ Rabi เป็นประธานของคณะกรรมการที่มีหน้าที่ให้คำแนะนำด้านวิทยาศาสตร์ต่อท่านประธานาธิบดี ถึงปี 1968 Rabi ก็ได้จัดให้มีการประชุมนานาชาติในด้านการใช้พลังงานปรมาณูเพื่อสันติที่กรุง Geneva สวิสเซอร์แลนด์ในเดือนสิงหาคม ปี 1953 เป็นครั้งแรก